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燃料电池技术论文篇1
（1）氢气通过双极板上的导气通道到达电池的阳极，氢分子在催化剂的作用下解离形成氢离子和电子；
（2）氢离子以水合质子H+（xH2O）的形式通过电解质膜到达阴极，电子在阳极侧积累；
（3）氧气通过双极板到达阴极后，氧分子在催化剂的作用下变成氧离子，阴、阳极间形成一个电势差；
（4）阳极和阴极通过外电路连接起来，在阳极积聚的电子就会通过外电路到达阴极，形成电流，对负载做功。同时，在阴极侧反应生成水；
（5）只要持续不断地提供反应气体，PEMFC就可以连续工作，对外提供电能。
2质子交换膜燃料电池的特点
（1）高效率。PEMFC以电化学方式进行能量转换，不存在燃烧过程，不受卡诺循环限制，其理论热效率可达85-90%，目前的实际效率大约是内燃机的两倍。传统动力源为了提高效率必须将负荷限制在很小范围内，而PEMFC几乎在全部负荷范围内均有很高效率。
（2）模块化。PEMFC在结构上具有模块化的特点，可根据不同动力需求组合安装，采用“搭积木”式的设计方法简化了不同规模电堆的设计制造过程。
（3）高可靠性。由于PEMFC电堆采用模块化的设计方法，结构简单，易于维护。一旦某个单电池发生故障，可自动采取适当屏蔽措施，只会使系统输出功率略有下降，而不会导致整个动力系统的瘫痪。
（4）燃料多样性。PEMFC动力系统既可以纯氢为燃料，也可以重整气为燃料。氢气的来源可以是电解水的产物，也可以是对汽油、柴油、二甲醚等化石类燃料重整的产物。氢气的存储方式可以是高压气罐、液氢、金属氢化物等。
（5）环境友好。当采用纯氢为燃料时，PEMFC的唯一产物是水，可以做到零排放。以重整气为燃料时，相对于内燃机而言，排放也极大降低。此外，PEMFC噪声水平也很低，各结构部件均可回收利用。
3研究现状
3.1关键部件
电解质膜、双极板、催化剂及气体扩散电极是质子交换膜燃料电池的四大关键部件。
电解质膜是PEMFC的核心部件，它直接影响燃料电池的性能与寿命。1962年美国杜邦公司研制成功全氟磺酸型质子交换膜，1966年开始用于燃料电池，其商业型号为Nafion，至今仍广泛使用。但由于Nafion膜成本较高，各国科学家正在研究部分氟化或非氟质子交换膜。
双极板在PEMFC中起着支撑、集流、分割氧化剂与还原剂并引导气体在电池内电极表面流动的作用，目前广泛采用的是以石墨为材料，在其上加工出引导气体流动的流场，基本流场形式有蛇形、平行、交指及网格状等。
铂基催化剂是目前性能最好的电极催化剂，为提高利用率，铂以纳米级颗粒形式高分散地担载到导电、抗腐蚀的担体上，目前广泛采用的担体为乙炔炭黑，比表面积约为250m2/g，平均粒径为30nm。
PEMFC的气体扩散电极由两层构成，一层为起支撑作用的扩散层，另一层为电化学反应进行的场所催化层。扩散层一般选用炭材如石墨化炭纸或炭布制备，应具备高孔隙率和适宜的孔分布，不产生腐蚀或降解。根据制备工艺和厚度不同，催化层分为厚层憎水、薄层亲水及超薄三种类型。
3.2测控系统
PEMFC的工作性能受多种因素（温度、压力等）的影响，为确保PEMFC正常运行，提高其可靠性和有效性，就必须监测各个影响因素。即运用有效的措施来连续监测PEMFC运行的关键或重要状态，并对收集到的信息进行必要的分析和处理，以便做到故障预测和及时诊断，为PEMFC管理系统提供依据。目前，进行PEMFC测试系统相关方面研究的公司和机构众多，但仍没有制定出有关PEMFC测试的国际标准和相应的标准测试设备，不过已有实用的测试系统投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料电池测试站（FCATS）、美国Arbin公司的集成燃料电池测试系统（FCTS）是其中的突出代表。
4质子交换膜燃料电池的应用
质子交换膜燃料电池是目前各种燃料电池中实用程度较高的一类。其优越性不仅限于能量转换效率高、工作温度低，还体现在其可在较大的电流密度下工作，适宜于较频繁启动的场合。因此世界各大汽车生产厂商一致看好其在汽车工业中的应用前景，PEMFC已成为现今燃料电池汽车动力的主要发展方向。目前，通用、丰田等世界上知名的汽车公司，都在积极开发以PEMFC系统为动力源的PEMFC电动车，曾先后推出各种类型的样车，并进行PEMFC电动车队的示范运行。PEMFC电动车以其优异的性能和环境污染很少等突出特点引起了人们的普遍关注，甚至被认为将是21世纪内燃机汽车最为有力的竞争者。
此外，在航空航天特别是无人飞行器领域，以及家庭电源、分散电站、移动电子设备电源、水下机器人及潜艇不依赖空气推进电源等方面也有广泛应用前景。
5质子交换膜燃料电池的发展趋势
在关键部件方面，围绕电解质膜、催化剂及双极板的研究方兴未艾。全氟型磺酸膜价格昂贵，开发非全氟的廉价质子交换膜是今后的研究方向。近年来，新型质子交换膜的的研究热点是开发能够在100℃以上使用的高温电解质膜。在催化剂方面，研制高性能抗CO中毒电极催化剂是最紧迫的任务，此外，还要寻找非贵金属氮化物或碳化物作为现有铂催化剂的替代。目前广泛使用的石墨板具有较好的耐腐蚀能力和较高的热导率，但成本较高，加工难度大，强度、电导率和可回收性均不如金属板。金属板目前急需解决的问题是表面处理，以提高其耐腐蚀能力。复合材料双极板则结合了纯石墨板和金属板的优点，具有耐腐蚀、体积小、质量轻、强度大及工艺性良好等特点，是未来发展的趋势。
在电堆方面，今后的研究重点将是使电堆中的电池单元的性能接近于单电池的性能，这就需要对电堆的结构进行优化，保证电堆中每一片电池单元的整个活性面积处于一致的操作环境，并优化水、热管理，改善电流密度分布的均匀性。
参考文献
［1］李兴虎.电动汽车概论［M］.北京:北京理工大学出版社，2005:9-22.
燃料电池技术论文篇2
按照电解质的不同可将燃料电池分为磷酸燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等五类。PEMFC单电池由质子交换膜、气体扩散电极、双极板等构成，图1是其结构与工作原理示意图。
PEMFC的基本工作过程如下：
（1）氢气通过双极板上的导气通道到达电池的阳极，氢分子在催化剂的作用下解离形成氢离子和电子；
（2）氢离子以水合质子H+（xH2O）的形式通过电解质膜到达阴极，电子在阳极侧积累；
（3）氧气通过双极板到达阴极后，氧分子在催化剂的作用下变成氧离子，阴、阳极间形成一个电势差；
（4）阳极和阴极通过外电路连接起来，在阳极积聚的电子就会通过外电路到达阴极，形成电流，对负载做功。同时，在阴极侧反应生成水；
（5）只要持续不断地提供反应气体，PEMFC就可以连续工作，对外提供电能。
2质子交换膜燃料电池的特点
（1）高效率。PEMFC以电化学方式进行能量转换，不存在燃烧过程，不受卡诺循环限制，其理论热效率可达85-90%，目前的实际效率大约是内燃机的两倍。传统动力源为了提高效率必须将负荷限制在很小范围内，而PEMFC几乎在全部负荷范围内均有很高效率。
（2）模块化。PEMFC在结构上具有模块化的特点，可根据不同动力需求组合安装，采用“搭积木”式的设计方法简化了不同规模电堆的设计制造过程。
（3）高可靠性。由于PEMFC电堆采用模块化的设计方法，结构简单，易于维护。一旦某个单电池发生故障，可自动采取适当屏蔽措施，只会使系统输出功率略有下降，而不会导致整个动力系统的瘫痪。
（4）燃料多样性。PEMFC动力系统既可以纯氢为燃料，也可以重整气为燃料。氢气的来源可以是电解水的产物，也可以是对汽油、柴油、二甲醚等化石类燃料重整的产物。氢气的存储方式可以是高压气罐、液氢、金属氢化物等。
（5）环境友好。当采用纯氢为燃料时，PEMFC的唯一产物是水，可以做到零排放。以重整气为燃料时，相对于内燃机而言，排放也极大降低。此外，PEMFC噪声水平也很低，各结构部件均可回收利用。3研究现状
3.1关键部件
电解质膜、双极板、催化剂及气体扩散电极是质子交换膜燃料电池的四大关键部件。
电解质膜是PEMFC的核心部件，它直接影响燃料电池的性能与寿命。1962年美国杜邦公司研制成功全氟磺酸型质子交换膜，1966年开始用于燃料电池，其商业型号为Nafion，至今仍广泛使用。但由于Nafion膜成本较高，各国科学家正在研究部分氟化或非氟质子交换膜。
双极板在PEMFC中起着支撑、集流、分割氧化剂与还原剂并引导气体在电池内电极表面流动的作用，目前广泛采用的是以石墨为材料，在其上加工出引导气体流动的流场，基本流场形式有蛇形、平行、交指及网格状等。
铂基催化剂是目前性能最好的电极催化剂，为提高利用率，铂以纳米级颗粒形式高分散地担载到导电、抗腐蚀的担体上，目前广泛采用的担体为乙炔炭黑，比表面积约为250m2/g，平均粒径为30nm。
PEMFC的气体扩散电极由两层构成，一层为起支撑作用的扩散层，另一层为电化学反应进行的场所催化层。扩散层一般选用炭材如石墨化炭纸或炭布制备，应具备高孔隙率和适宜的孔分布，不产生腐蚀或降解。根据制备工艺和厚度不同，催化层分为厚层憎水、薄层亲水及超薄三种类型。
3.2测控系统
PEMFC的工作性能受多种因素（温度、压力等）的影响，为确保PEMFC正常运行，提高其可靠性和有效性，就必须监测各个影响因素。即运用有效的措施来连续监测PEMFC运行的关键或重要状态，并对收集到的信息进行必要的分析和处理，以便做到故障预测和及时诊断，为PEMFC管理系统提供依据。目前，进行PEMFC测试系统相关方面研究的公司和机构众多，但仍没有制定出有关PEMFC测试的国际标准和相应的标准测试设备，不过已有实用的测试系统投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料电池测试站（FCATS）、美国Arbin公司的集成燃料电池测试系统（FCTS）是其中的突出代表。
4质子交换膜燃料电池的应用
质子交换膜燃料电池是目前各种燃料电池中实用程度较高的一类。其优越性不仅限于能量转换效率高、工作温度低，还体现在其可在较大的电流密度下工作，适宜于较频繁启动的场合。因此世界各大汽车生产厂商一致看好其在汽车工业中的应用前景，PEMFC已成为现今燃料电池汽车动力的主要发展方向。目前，通用、丰田等世界上知名的汽车公司，都在积极开发以PEMFC系统为动力源的PEMFC电动车，曾先后推出各种类型的样车，并进行PEMFC电动车队的示范运行。PEMFC电动车以其优异的性能和环境污染很少等突出特点引起了人们的普遍关注，甚至被认为将是21世纪内燃机汽车最为有力的竞争者。
此外，在航空航天特别是无人飞行器领域，以及家庭电源、分散电站、移动电子设备电源、水下机器人及潜艇不依赖空气推进电源等方面也有广泛应用前景。
5质子交换膜燃料电池的发展趋势
在关键部件方面，围绕电解质膜、催化剂及双极板的研究方兴未艾。全氟型磺酸膜价格昂贵，开发非全氟的廉价质子交换膜是今后的研究方向。近年来，新型质子交换膜的的研究热点是开发能够在100℃以上使用的高温电解质膜。在催化剂方面，研制高性能抗CO中毒电极催化剂是最紧迫的任务，此外，还要寻找非贵金属氮化物或碳化物作为现有铂催化剂的替代。目前广泛使用的石墨板具有较好的耐腐蚀能力和较高的热导率，但成本较高，加工难度大，强度、电导率和可回收性均不如金属板。金属板目前急需解决的问题是表面处理，以提高其耐腐蚀能力。复合材料双极板则结合了纯石墨板和金属板的优点，具有耐腐蚀、体积小、质量轻、强度大及工艺性良好等特点，是未来发展的趋势。
在电堆方面，今后的研究重点将是使电堆中的电池单元的性能接近于单电池的性能，这就需要对电堆的结构进行优化，保证电堆中每一片电池单元的整个活性面积处于一致的操作环境，并优化水、热管理，改善电流密度分布的均匀性。
燃料电池技术论文篇3
燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、易维护以及成本低的诱人特点，它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题。随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。人们预测，燃料电池将成为继火电、水电、核电后的第四电方式[1]，它将引发21世纪新能源与环保的绿色革命。
1，中国燃料电池技术的进展
“燃料电池技术”是我国“九五”期间的重大发展项目，目标是，利用我国的资源优势，从高起点做起，加强创新；在“九五”期间，使我国燃料电池的技术发展接近国际水平。内容包括“质子交换膜燃料电池技术”、“熔融碳酸盐燃料电池技术”及“固体氧化物燃料电池技术”三大项目[2]，其中，用于电动汽车的“5kW质子交换膜燃料电池”列为开发的重点。此项任务由中国科学院及部门所属若干研究所承担。所定目标业已全部实现。
在质子交换膜燃料电池（PEMFC）方面，我国研究开发的这类电池已经达到可以装车的技术水平，可以与世界发达国家竞争，而且在市场份额上，可以并且有能力占有一定比例[1]。我国自把质子交换膜燃料电池列为"九五"科技攻关计划的重点项目以后，以大连化学物理研究所为牵头单位，在全国范围内全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，取得了很大进展，相继组装了多台百瓦、1kW-2kW、5kW、10kW至30kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分,其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。质子交换膜燃料电池自行车已研制成功，现已开发出200瓦电动自行车用燃料电池系统。百瓦级移动动力源和5kW移动通讯机站动力源也已开发成功。千瓦级电池系统作为动力源，已成功地进行了应用试验。由6台5kW电池组构成的30kW电池系统已成功地用作中国首台燃料电池轻型客车动力源。装车电池最大输出功率达46千瓦。目前该车最高时速达60.6km/h，为燃料电池电动汽车以及混合动力电动汽车的发展打下良好的基础。该电池堆整体性能相当于奔驰、福特与加拿大巴拉德公司联合开发的MK7质子交换膜燃料电池电动车的水平[3]。我国目前正在进行大功率质子交换膜燃料电池组的开发和燃料电池发动机系统集成的研究。
在熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）方面，我国已经研制出α和γ型偏铝酸锂粗、细粉料，制备出大面积（大于0.2m2）的电池隔膜，预测隔膜寿命超过3万小时。在进行材料部件研究的基础上，成功组装和运行了千瓦级电池组。
在固体氧化物燃料电池（SOFC）技术方面，已经制备出厚度为5-10μm的负载型致密YSZ电解质薄膜，研制出一种能用作中温SOFC连接体的Ni基不锈钢材料。负载型YSZ薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.4W/cm2,负载型LSGM薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.8W/cm2。这些技术创新为研制千瓦级、十千瓦级中温固体氧化物燃料电池发电技术的研发奠定了坚实基础。
2，国外燃料电池技术发展迅猛
燃料电池是新世纪最有前途的清洁能源，是替代传统能源的最佳选择。因此，燃料电池技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视。美国将燃料电池技术列为涉及国家安全的技术之一，《时代》周刊将燃料电池电动汽车列为21世纪10大高技术之首；日本政府认为燃料电池技术是21世纪能源环境领域的核心；加拿大计划将燃料电池发展成国家的支柱产业。近十年来，国外政府和企业在燃料电池方面的投资额超过100亿美元。为开发燃料电池，戴姆勒－克莱斯勒公司一家近年来每年就投入10亿美元，丰田公司的年投资额超过50亿日元[4]。
欧、美发达国家和日本等国政府和企业界都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，并且已取得了许多重要成果，PEMFC技术已发展到实用阶段，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，用于国防、航天、汽车、医院、工厂、居民区等方面；各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成，其中，国际燃料电池产业巨头加拿大巴拉德公司筹资3.2亿美元，建成的燃料电池厂已于2001年2月正式投产。美国和欧洲将成批生产低成本的家用供电－供暖燃料电池作为最近的开发计划。目前，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正快速进入工业化规模应用的阶段。
目前，车用氢燃料电池已成为世界各大汽车公司技术开发的重中之重。迄今为止，世界6大汽车公司在开发氢燃料电池车上的开发费用已超过100亿美元，并以每年10亿美元的速度递增[5]。1997年至2001年，各大公司研制出的车用燃料电池就达41种。
3，我国开发燃料电池技术相对乏力
我国研究燃料电池有过起落。在20世纪60年代曾开展过多种燃料电池的实验室研究，70年入大量人力物力开展用于空间技术的燃料电池研究，其后研究工作长期停顿。最近几年，我国才开始重新重视燃料电池技术的研究开发，并取得很大进展。特别在PEMFC方面，达到或接近了世界水平。但是，在总体上，我国燃料电池的研究开发刚刚起步，仍处于科研阶段，与国外相比，我国的燃料电池研究水平还较低，我国对燃料电池的组织开发力度还远远不够。作为世界上最大的煤炭生产国和消费国，开发以煤作为一次能源的高温型MCFC和SOFC具有特别重要的意义。但是我国在MCFC、SOFC研究方面与国外的差距很大，要实现实用化、商业化应用还有很长的路要走。迄今为止，我国还没有燃料电池发电站的应用实例。这和我国这样一个大国的地位很不相称。尽管国家也将燃料电池技术列为"九五"攻关项目，国家和企业投入的资金却极为有限，年度经费仅为千万元量级人民币，与发达国家数亿美元的投入相比显得微不足道；承担研究任务的也只是中科院等少数科研院所，且研究力量分散，缺少企业的介入，难以取得突破性进展，尤其是难以将取得的研究成果进行实际应用试验，以形成产业化趋势。从表1所列国外燃料电池的研究和开况看，欧、美国家和日本等大多是以公司企业为主在从事燃料电池的研究开发和制造生产，而且规模很大，例如，仅加拿大的Ballard一家公司的资产就达10亿美元。
4，大力发展燃料电池技术势在必行
从世界燃料电池迅猛发展的势头看，本世纪头十年将是燃料电池发电技术商品化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本等都将取得重大突破。预计燃料电池系统将在洁净煤燃料电池电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面有着广泛的应用前景，潜在市场十分巨大。可以预料，分散电源供电系统——燃料电池发电厂必将在21世纪内取代以“大机组、大电网、高电压”为主要特征的现代电力系统，成为电力行业的主力军。而燃料电池的普遍推广应用，必将在能源及相关领域引发一场深刻的革命，促进新兴产业的形成，带动国民经济高速发展。能源领域的这场革命是我国政府、企业、科研院所、高等院校不得不正视的课题，我们对此必须有充分认识并给予足够的重视。我们应该准确把握这场革命所带给我们的机遇，毫不迟疑地投入足够的人力、物力、财力，推动燃料电池发电技术的研究开发和应用工作，使之早日实用化产业化，为我国的国家能源安全和国民经济可持续发展服务。
燃料电池技术论文篇4
燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、易维护以及成本低的诱人特点，它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题。随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。人们预测，燃料电池将成为继火电、水电、核电后的第四电方式[1]，它将引发21世纪新能源与环保的绿色革命。
1，中国燃料电池技术的进展
“燃料电池技术”是我国“九五”期间的重大发展项目，目标是，利用我国的资源优势，从高起点做起，加强创新；在“九五”期间，使我国燃料电池的技术发展接近国际水平。内容包括“质子交换膜燃料电池技术”、“熔融碳酸盐燃料电池技术”及“固体氧化物燃料电池技术”三大项目[2]，其中，用于电动汽车的“5kW质子交换膜燃料电池”列为开发的重点。此项任务由中国科学院及部门所属若干研究所承担。所定目标业已全部实现。
在质子交换膜燃料电池（PEMFC）方面，我国研究开发的这类电池已经达到可以装车的技术水平，可以与世界发达国家竞争，而且在市场份额上，可以并且有能力占有一定比例[1]。我国自把质子交换膜燃料电池列为"九五"科技攻关计划的重点项目以后，以大连化学物理研究所为牵头单位，在全国范围内全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，取得了很大进展，相继组装了多台百瓦、1kW-2kW、5kW、10kW至30kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分,其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。质子交换膜燃料电池自行车已研制成功，现已开发出200瓦电动自行车用燃料电池系统。百瓦级移动动力源和5kW移动通讯机站动力源也已开发成功。千瓦级电池系统作为动力源，已成功地进行了应用试验。由6台5kW电池组构成的30kW电池系统已成功地用作中国首台燃料电池轻型客车动力源。装车电池最大输出功率达46千瓦。目前该车最高时速达60.6km/h，为燃料电池电动汽车以及混合动力电动汽车的发展打下良好的基础。该电池堆整体性能相当于奔驰、福特与加拿大巴拉德公司联合开发的MK7质子交换膜燃料电池电动车的水平[3]。我国目前正在进行大功率质子交换膜燃料电池组的开发和燃料电池发动机系统集成的研究。
在熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）方面，我国已经研制出α和γ型偏铝酸锂粗、细粉料，制备出大面积（大于0.2m2）的电池隔膜，预测隔膜寿命超过3万小时。在进行材料部件研究的基础上，成功组装和运行了千瓦级电池组。
在固体氧化物燃料电池（SOFC）技术方面，已经制备出厚度为5-10μm的负载型致密YSZ电解质薄膜，研制出一种能用作中温SOFC连接体的Ni基不锈钢材料。负载型YSZ薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.4W/cm2,负载型LSGM薄膜基中温SOFC单体电池的最大输出功率密度达到0.8W/cm2。这些技术创新为研制千瓦级、十千瓦级中温固体氧化物燃料电池发电技术的研发奠定了坚实基础。
2，国外燃料电池技术发展迅猛
燃料电池是新世纪最有前途的清洁能源，是替代传统能源的最佳选择。因此，燃料电池技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视。美国将燃料电池技术列为涉及国家安全的技术之一，《时代》周刊将燃料电池电动汽车列为21世纪10大高技术之首；日本政府认为燃料电池技术是21世纪能源环境领域的核心；加拿大计划将燃料电池发展成国家的支柱产业。近十年来，国外政府和企业在燃料电池方面的投资额超过100亿美元。为开发燃料电池，戴姆勒－克莱斯勒公司一家近年来每年就投入10亿美元，丰田公司的年投资额超过50亿日元[4]。
欧、美发达国家和日本等国政府和企业界都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，并且已取得了许多重要成果，PEMFC技术已发展到实用阶段，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，用于国防、航天、汽车、医院、工厂、居民区等方面；各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成，其中，国际燃料电池产业巨头加拿大巴拉德公司筹资3.2亿美元，建成的燃料电池厂已于2001年2月正式投产。美国和欧洲将成批生产低成本的家用供电－供暖燃料电池作为最近的开发计划。目前，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正快速进入工业化规模应用的阶段。
目前，车用氢燃料电池已成为世界各大汽车公司技术开发的重中之重。迄今为止，世界6大汽车公司在开发氢燃料电池车上的开发费用已超过100亿美元，并以每年10亿美元的速度递增[5]。1997年至2001年，各大公司研制出的车用燃料电池就达41种。
3，我国开发燃料电池技术相对乏力
我国研究燃料电池有过起落。在20世纪60年代曾开展过多种燃料电池的实验室研究，70年入大量人力物力开展用于空间技术的燃料电池研究，其后研究工作长期停顿。最近几年，我国才开始重新重视燃料电池技术的研究开发，并取得很大进展。特别在PEMFC方面，达到或接近了世界水平。但是，在总体上，我国燃料电池的研究开发刚刚起步，仍处于科研阶段，与国外相比，我国的燃料电池研究水平还较低，我国对燃料电池的组织开发力度还远远不够。作为世界上最大的煤炭生产国和消费国，开发以煤作为一次能源的高温型MCFC和SOFC具有特别重要的意义。但是我国在MCFC、SOFC研究方面与国外的差距很大，要实现实用化、商业化应用还有很长的路要走。迄今为止，我国还没有燃料电池发电站的应用实例。这和我国这样一个大国的地位很不相称。尽管国家也将燃料电池技术列为"九五"攻关项目，国家和企业投入的资金却极为有限，年度经费仅为千万元量级人民币，与发达国家数亿美元的投入相比显得微不足道；承担研究任务的也只是中科院等少数科研院所，且研究力量分散，缺少企业的介入，难以取得突破性进展，尤其是难以将取得的研究成果进行实际应用试验，以形成产业化趋势。从表1所列国外燃料电池的研究和开况看，欧、美国家和日本等大多是以公司企业为主在从事燃料电池的研究开发和制造生产，而且规模很大，例如，仅加拿大的Ballard一家公司的资产就达10亿美元。
4，大力发展燃料电池技术势在必行
从世界燃料电池迅猛发展的势头看，本世纪头十年将是燃料电池发电技术商品化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本等都将取得重大突破。预计燃料电池系统将在洁净煤燃料电池电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面有着广泛的应用前景，潜在市场十分巨大。可以预料，分散电源供电系统——燃料电池发电厂必将在21世纪内取代以“大机组、大电网、高电压”为主要特征的现代电力系统，成为电力行业的主力军。而燃料电池的普遍推广应用，必将在能源及相关领域引发一场深刻的革命，促进新兴产业的形成，带动国民经济高速发展。能源领域的这场革命是我国政府、企业、科研院所、高等院校不得不正视的课题，我们对此必须有充分认识并给予足够的重视。我们应该准确把握这场革命所带给我们的机遇，毫不迟疑地投入足够的人力、物力、财力，推动燃料电池发电技术的研究开发和应用工作，使之早日实用化产业化，为我国的国家能源安全和国民经济可持续发展服务。
燃料电池技术论文篇5
摘要:电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。 论文关键词：电力技术；电源 “电力技术是通向可持续发展的桥梁”，这个论断已经逐渐成为人们的共识。研究表明，为了实现可持续发展，应尽可能把一次能源转换为电能使用，提高电力在终端能源中的比例。因为，在保证相同的能源服务水平的前提下， 使用电力这种优质能源最清洁、方便，易于控制、效率最高。如果能将大量分散燃用的化石燃料都高效洁净地转换为电力使用，人们赖以生存的环境和生活质量就会大大改善。因此，电能高效洁净地生产、传输、储存、分配和使用的技术将成为电力技术的重点领域。以下将对若干电力前沿技术的现状和未来发展前景进行简单评述。 1. 分布式电源 当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(IC)、微型燃气轮机（Microtur_bines）和各种工程用的燃料电池（Fuel Cell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。 1.1 微型燃气轮机 微型燃气轮机（Micro Turbine），是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96 000 r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500 ℃，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。 1.2 燃料电池 燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。 1.2.1 燃料电池的工作原理 燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。 通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。磷酸型燃料电池（PAFC）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11 MW的设备及便携式250 kW等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（MCFC），工作在高温（600～700 ℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（SOFC）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。 1.2.2 性能和特点 燃料电池有以下优点：（1）有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1 s内跟随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统 目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。
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1. 分布式电源
当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(ic)、微型燃气轮机（micro?tur_bines）和各种工程用的燃料电池（fuel cell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。
1.1 微型燃气轮机
微型燃气轮机（micro turbine）,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96 000 r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500 ℃，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。
1.2 燃料电池
燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。
1.2.1 燃料电池的工作原理
燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。
通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。磷酸型燃料电池（pafc）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11 mw的设备及便携式250 kw等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（mcfc），工作在高温（600～700 ℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（sofc）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。
1.2.2 性能和特点
燃料电池有以下优点：（1）有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。（2）处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1 s内跟随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统
目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。
1.2.3 技术关键和研究课题
燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池（mcfc）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使mcfc的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。固体氧化物燃料电池（sofc）使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入y2o3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。实用的电解质膜的厚度为0.03～0.05 mm。比较先进的已达到0.01 mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外，必须具有高度的气体致密性，否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷，镍还用作燃料重整的催化剂，空气极在运行中处在高温氧化中，难以使用一般金属。铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替代材料，可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度，另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到700 ℃以下，sofc的造价就可以大幅度降低。
2. 大功率电力电子技术的应用硅片引起的“第二次革命
2.1 大功率电力电子器件的重大进展
电力电子学（power electronics）的应用已经有多年的历史。电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件（high power electronics）的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第二次革命。
近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电（facts）、定质电力技术（custom power）以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为电力研究前沿。
2.2 灵活交流输电技术(facts)
灵活交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。
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1.分布式电源
当今的分布式电源主要是指用液体或气体燃料的内燃机(IC)、微型燃气轮机（Microtur_bines）和各种工程用的燃料电池（FuelCell）。因其具有良好的环保性能，分布式电源与“小机组”已不是同一概念。
1.1微型燃气轮机
微型燃气轮机（MicroTurbine）,是功率为几千瓦至几十千瓦，转速为96000r/min，以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料的超小型燃气轮机，工作温度500℃，其发电效率可达30%。目前国外已进入示范阶段。其技术关键是高速轴承、高温材料、部件加工等。可见，电工技术的突破常常取决于材料科学的进步。
1.2燃料电池
燃料电池是直接把燃料的化学能转换为电能的装置。它是一种很有发展前途的洁净和高效的发电方式，被称为21世纪的分布式电源。
1.2.1燃料电池的工作原理
燃料电池的工作原理颇似电解水的逆过程。氢基燃料送入燃料电池的阳极(电源的负极)转变为氢离子，空气中的氧气送入燃料电池的阴极(电源的正极)，负氧离子通过2极间离子导电的电解质到达阳极与氢离子结合成水，外电路则形成电流。
通常，完整的燃料电池发电系统由电池堆、燃料供给系统、空气供给系统、冷却系统、电力电子换流器、保护与控制及仪表系统组成。其中，电池堆是核心。低温燃料电池还应配备燃料改质器（又称为燃料重整器）。高温燃料电池具有内重整功能，无须配备重整器。磷酸型燃料电池（PAFC）是目前技术成熟、已商业化的燃料电池。现在已能生产大容量加压型11MW的设备及便携式250kW等各种设备。第2代燃料电池的溶融碳酸盐电池（MCFC），工作在高温（600～700℃）下，重整反应可以在内部进行，可用于规模发电，现在正在进行兆瓦级的验证试验。固体电解质燃料电池（SOFC）被称为第3代燃料电池。由于电解质是氧化锆等固体电解质，未来可用于煤基燃料发电。质子交换膜燃料电池是最有希望的电动车电源。
1.2.2性能和特点
燃料电池有以下优点：（1）有很高的效率，以氢为燃料的燃料电池，理论发电效率可达100%。熔融碳酸盐燃料电池，实际效率可达58.4%。通过热电联产或联合循环综合利用热能，燃料电池的综合热效率可望达到80%以上。燃料电池发电效率与规模基本无关，小型设备也能得到高效率。（2）处于热备用状态，燃料电池跟随负荷变化的能力非常强，可以在1s内跟随50%的负荷变化。(3)噪音低；可以实现实际上的零排放；省水。（4）安装周期短，安装位置灵活，可省去新建输配电系统。
目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。
1.2.3技术关键和研究课题
燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池（MCFC）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使MCFC的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。固体氧化物燃料电池（SOFC）使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入Y2O3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。实用的电解质膜的厚度为0.03～0.05mm。比较先进的已达到0.01mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外，必须具有高度的气体致密性，否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷，镍还用作燃料重整的催化剂，空气极在运行中处在高温氧化中，难以使用一般金属。铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替代材料，可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度，另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到700℃以下，SOFC的造价就可以大幅度降低。
2.大功率电力电子技术的应用硅片引起的“第二次革命
2.1大功率电力电子器件的重大进展
电力电子学（PowerElectronics）的应用已经有多年的历史。电力电子学器件用于电力拖动、变频调速、大功率换流已经是比较成熟的技术。大功率电子器件（HighPowerElectronics）的快速发展也引起了电力系统的重大变革，通常称为硅片引起的第二次革命。
近年来，大功率电子器件已经广泛应用于电力的一次系统。可控硅（晶闸管）用于高压直流输电已经有很长的历史。大功率电子器件应用于灵活的交流输电（FACTS）、定质电力技术（CustomPower）以及新一代直流输电技术则是近10年的事。新的大功率电力电子器件的研究开发和应用，将成为电力研究前沿。
2.2灵活交流输电技术(FACTS)
灵活交流输电技术是指电力电子技术与现代控制技术结合以实现对电力系统电压、参数(如线路阻抗)、相位角、功率潮流的连续调节控制，从而大幅度提高输电线路输送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗。超级秘书网
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1.国内外燃料电池测试系统整体研究现状及水平
由于燃料电池还处于开发阶段，汽车工业还没有制定燃料电池的标准测试仪器，更谈不上统一规范的测试仪器供应商。许多公司开始走近这项挑战，研究准确测试燃料电池的解决方案。这些公司中最引人注目的是美国的Hydrogenics公司和美国国家仪器公司（National Instruments，简称NI），它们推出了一些软硬件测试产品，能够兼容多种燃料电池，测得几乎所有设计指标［5］。Hydrogenics的Greenlight公司是世界上最大的燃料电池测试系统生产基地，它是燃料电池工业测试诊断设备引领全球的供应商。NI是全球基于计算机测量的领导者，许多领先的燃料电池制造商都在开发的各个阶段使用NI硬件及软件工具来测试燃料电池。
在整个电池行业研发出燃料电池测试系统的公司屈指可数，且在2004年之前均为国外厂家［6］。为使研发燃料电池的专家能利用测量、控制、分析及可视化工具进行评估，武汉力兴测试设备有限公司紧跟世界燃料电池的最前沿技术，自主开发出具有国内领先水平的燃料电池测试系统，并于2004年一月推出国内首台燃料电池测试系统，该系统的推出填补了我国在燃料电池测试领域的空白，在推广国内燃料电池产业发展的里程碑上有着非同寻常的意义。
2.燃料电池测试系统的基本理论
2.1测试目的
虽然研究、开发、制造和应用部门的总目标各有不同，它们对于燃料电池的检测和监视项目要求却是相似的。对于研发部门，测试要求是确定输出能量、使用寿命和电池组的耐用性。在设计验收阶段，主要任务是优化设计以备大规模生产，以及在不降低效率的情况下降低电堆总成本。对于生产应用，要求燃料电池符合规范要求。而在实际使用中，监测电池的寿命和工作状态是非常重要的。好在这些不同的任务对电池测试系统的要求都差不多。
2.2测试系统的主要特点
①隔离。燃料电池测试系统先要进行各种需要信号调理的测量，然后原始信号才能有数据采集系统数字化。大容量电堆具有数百个单电池，从而电压测量要求数百伏的共模抑制。因此，测试不仅必须具有多个每个通道都能读取1-10V的通道，而且必须保持电堆的每一个和最后一个电池之间高达数百伏的隔离。
②数据采集系统必须能够扩展。由于燃料电池测试系统的通道数目可以从100个到1000多个，所以数据采集系统必须能够扩展，并且这些系统也要求可以进行信号的衰减和放大。
③模块化。对于今天的测试系统，模块化也是必需的。因为测试系统必须能够随着生产及验证技术的变革而变革。
④标定。任何测试系统都应该进行标定以确保测量有效和准确。
2.3测试的主要性能参数
燃料电池测试系统需要精确的监测和控制成百上千次测量，范围从燃料和氧化剂的流量、温度、压力和湿度到燃料电池组的输出电压和电流。测试燃料电池的性能是很重要的，而监测影响性能的变量更为重要，但最重要的是控制这些变量参数，安全运行也是至关重要的。所以监测控制的主要参数有：
（1）电压。在有负载的情况下，单电池的输出电压会从开路电压的1V左右降到0.6V左右，知道了每个单电池的电压就可以更近的了解电堆的健康情况。如果哪个单电池显示出不同电压，就表明此电池有问题，或者温度不正常，或者电极被淹。测试单电池或电堆的电压就可以正确操作、测试和设计燃料电池。
（2）电流。输出电流有时候很高，所以通常利用高斯效应来测，这种方法可以不直接使用导线来测试电流，而通过监测信号并按比例转换成电流读数。
（3）温度。要高效地产生电能，PEMFC必须在60-80℃的范围内工作，监视温度的目的是优化温度的改变以提高输出功率，热电偶和电阻是温度传感器，是监视电池组温度及反应气体温度的良好传感器。
（4）湿度。电池单元的每一个膜片必须保持一定的湿度，太干或太湿都会影响燃料电池的工作效率。因此测定和控制燃料电池的湿度非常重要。一种测试湿度的方法是通过电子湿度传感器，根据湿度的大小成比例的输出4-20mA的电流，测试仪器的输入通道可以读入这个电流信号。
（5）气体压力。在许多应用中，气流压力较大，此压力必须进行监视和管理。压力通过压力传感器进行测量并进行信号调理。
（6）气体流速。氢气流速一般使用产生正比于气流速率脉冲的质量流量计来测量，然后这些脉冲由计数器/定时器接口板进行监视，并使用软件换算成流量。电子调节器可通过试验台输出的电压或电流来控制压力和流量。
（7）负载。可利用可编程负载来改变阻值，改变阻值可利用可控制的GPIB负载设备或通过数字继电器并行连接各个电阻。第一种方法可以安装单独的一个单元通过GPIO来改变加在电堆上的电阻，第二种方法可利用继电器和开关改变阻值。
2.4燃料电池测试系统基本结构
燃料电池测试系统由硬件和软件两大块组成。硬件部分主要有控制器，传感器和加载装置；控制器主要基于计算机控制，这种方法充分发挥了计算机的优势：速度快，记忆能力强大和可升级。软件要易于升级并极具灵活性，用户界面友好，用户可很容易地进行各种复杂程度的编程及实验。表1列出了燃料电池测试系统基本结构单元。
3.结论
工程师们不断将新方法应用到燃料电池的测试中，不断寻求可靠、精确及灵活的测试系统来辅助缩短开发周期、提高燃料电池质量和降低成本，以开发出下一代燃料电池。凭借着燃料电池发展因环境、政府和消费者的压力而增加，加之政府的巨大投资，燃料电池测试系统的开发和应用定会取得更大进展。
参考文献：
［1］何仁.燃料电池汽车研究现状及发展前景［J］.汽车工业研究，2001，（2）：1-2.
［2］阿布里提.燃料电池汽车（FCEV）的现状及开发动向［J］.电工电能新技术，2001，（3）：4-6.
［3］燃料电池的测试［J］.汽车工程，2002，24（1）：84-87.
燃料电池技术论文篇9
电力工业属技术资金密集型行业，电能生产、输送、使用是在同一时间内完成的。现代电力系统的主要特征是"大机组、大电网、高电压"，运行技术复杂、管理水平要求高。电网上任何一点的故障所产生的扰动都会以光的速度波及开来，严重的故障可能会引起大面积停电甚至全网崩溃，造成灾难性的后果。今年7月29日23时30分，由于台南县关庙乡附近山崩，压电第326号高压输电线铁塔，使得嘉义及台南的两条输电线路跳闸所引发的台湾全岛大停电，至少造成上百亿元新台币的损失，并导致岛内民众一片惊慌。1996年7月2日、8月10日在美国西部连续发生的大停电事故和1996年8月3日马来西亚发生的全国性大停电事故，以及台湾1995年5月24日、8月5日、1999年7月29日发生的三次大停电事故，损失惨重，教训沉痛，给以大电网集中供电的现代社会敲响了警钟。科索沃战争和上述大停电事故告诉我们：以"大机组、大电网、高电压"为模式的现代电力系统是非常脆弱的，在战争状态下更是不堪一击！大电网大面积停电所造成的后果是灾难性的！从现在开始，"大机组、大电网、高电压"的模式再也不能继续发展下去了！
如何保证大电网的安全稳定运行，如何保证电力的连续生产、稳定供应成为下世纪电力工业面临的重大课题。在这里我们要指出：分散电源供电系统-燃料电池发电厂由于其巨大的优越性将成为21世纪电力行业的主力军，掌握和发展燃料电池发电技术是事关国家安全和中华民族振兴的重大问题；是事关我国国民经济可持续发展和占领21世纪电力工业技术制高点的重大战略课题。
2、燃料电池发电技术发展简况
2.1 燃料电池的工作原理及特点
燃料电池（Fuel cell）是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将富氢燃料的化学能转化为电能的发电装置。其工作原理与一般的电池相似，基本上由电子导电的阴极和阳极及离子导电的电解质构成。在电极与电解质的界面上电荷载体由电子变为离子，在阳极（燃料电池的负极又称燃料极）进行氧化反应，在阴极（燃料电池的正极又称空气极）进行还原反应，燃料扩散通过阳极时失去电子而产生电流。当外部不断地输送燃料和氧化剂时，燃料氧化所释放的能量也就源源不断地转化为电能和热能。
燃料电池被称之为继水电、火电和核电之后能持续产生电力的第四种连续发电方式，有着传统的火力发电难以比拟的诸多技术上的优点。
首先，燃料电池属于能量直接转换的装置，效率很高。各种燃料发电的平均理论效率在90%以上，应用中因电解质的电阻以及阴阳极的化学反应阻力，实际效率也均在50%以上。如果进一步将化学反应中产生的热能加以利用，燃料电池的总效率可达到80%以上。
其次，燃料电池的环境兼容性好。由于整个能量转换过程中没有燃烧，CO2的排放量比常规火电减少40-60%，SOX和NOX的排放量更低，比火电减少90%以上。同时，能量转换的主要装置无运动部件，因此噪音极小。据测试，在已建燃料电池电厂外9米处的噪音仅为60dB。
第三，设备可靠性高，对负荷的适应能力强，可以无人操作。燃料电池过载运行或欠载运行都能承受而效率基本不变，负荷变化时响应速度很快。可以直接建在终端用户附近，没有庞大的输配电网络，供电可靠性高。同时节约大量的输配电设备费用并减少损耗。
第四，燃料来源广、建设工期短、使用方便。由于是组件化设计，建厂时间很短（平均仅需2个月左右）。电厂不需大量冷水，占地面积极小（几十平方米即可），加上无污染无噪音，选址几乎没有任何限制。可用来发电的燃料种类众多，甲醇、煤气、沼气、天然气、含氢废气、轻油、柴油等均可。
从以上这些突出的特点可以看出，燃料电池是一种高效洁净方便的发电装置，非常适合作移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，尤其适宜应用于重要的政府与军事等部门。随着燃料电池的商业化推广，其成本价格会迅速降低，民用市场的前景也将十分广阔。
2.2 燃料电池的主要类型
燃料电池的种类不少，按使用的电解质不同分类，主要有磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）、固体氧气物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。
PAFC型燃料电池
磷酸燃料电池（PAFC）电解质采用磷酸H3PO4。磷酸化学稳定性好且容易得到，利用磷酸的燃料电池工作温度适中（200℃左右），容易实现大型化应用。
磷酸燃料电池（PAFC）是目前技术最成熟、应用最广泛和商业化程度最高的燃料电池。
MCFC型燃料电池
熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）的电解质为碳酸盐Li2CO3-K2CO3，以氢气为燃料，氧气为氧化剂，负荷电流密度150mA/cm2，单个电池电压达到0.75-0.85V。工作温度高至650℃左右，不需要低温电池必须的铂系催化剂，而且对燃料的纯度要求相对较低，可以在电池内重整燃料。高工作温度加速了化学反应速度，减少了极化损失，效率提高到55-58%，高温度的排放气体可用来进行热电联产或与汽轮机联合循环，总效率更可达70%及更高。所以设备比PAFC型相对简单，价格也有优势。
MCFC型燃料电池的商业化比PAFC型晚近10年，要解决的关键是寿命问题，即在高温下液态电解质的腐蚀与渗漏问题。
SOFC型燃料电池
固体氧化物燃料电池（SOFC）使用高温下成为氧离子导体的陶瓷（氧化锆系等）为电解质，因此不会出现电解质的蒸发和析出，也没有电解液引起的材料腐蚀和电极析出等问题。工作温度900-1000℃，具有效率高（50-65%）、出力密度大、结构简单、寿命长等优点，可用于替代大型火电。缺点是必须有能适应高温的材料和较高的制造技术。
PEMFC型燃料电池
质子交换膜燃料电池（PEMFC）也称为固体聚合物（有机膜）电解质燃料电池，相对于其它几种燃料电池发展较迟。工作温度50-100℃，启动快，固体有机膜的电解质不怕震动。实际应用效率可达80%以上，具有高比能量和比功率及低温快速启动等特点。
2.3 燃料电池技术的发展概况
1839年英国的W.Grove在实验室里验证了燃料电池的工作原理。但直到1939年苏格兰的F.T.Bacon才第一次用KOH水溶液制造出了燃料电池，工作温度100℃，电池电压0.89V，电流密度13mA/cm2。以后美国联合技术公司（UTC）购买Bacon的专利，率先开发燃料电池技术，并于1984年成立国际燃料电池公司（IFC）。
燃料电池技术最初的应用开始于本世纪60年代的航天技术上。采用碱性电池AFC，但由于其应用条件较苛刻，必须使用纯氢和纯氧且微量的CO2即令电解质变质，随后开发了磷酸型燃料电池PAFC。PAFC是目前技术最成熟商业化应用最广泛的燃料电池，价格已降低至1500美圆/kW，美日欧等国投入运行的PAFC型电站已超过百座，最大容量者为东京电力公司的五井电厂（11MW）。
PAFC的缺点是它需要贵重金属铂做催化剂，还需要外部的燃料处理器来重整燃料以提高含氢量，降低了电池的效率并增加了费用和占地。因此，七十年代末开始开发被称为第二代燃料电池的熔融碳酸盐电池（MCFC）。MCFC工作于高温600-700℃下，燃料的重整在内部进行从而提高了效率降低了成本，可用于大规模发电。目前有2MW级验证电站于1996年开始在美国Santa Clara运行，其建设周期仅2月，占地400m2，距厂房9米处噪音低于60分贝，发电效率53.7%，燃料使用天然气和液化气，单位造价1700美圆/kW。
固体电解质型燃料电池SOFC被列为第三代燃料电池。具有高效率寿命长的优点，目前正进行kW级的试验工作。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是近几年研究最广泛、技术发展最为迅速的燃料电池。由于电解质采用高分子膜，具有构造简单、启动快、常温工作的优势，最适宜为汽车等交通工具提供无污染的动力。加拿大Ballard公司在1994年研制出可载75人的PEMFC型电动客车，连续行驶里程超过400公里。
目前，世界上几乎所有的经济发达国家都在投巨资研究开发燃料电池发电技术。美国政府及众多企业每年投资达数亿美圆，以UTC及其派生出的IFC技术最为先进，IFC和日本东芝公司于1990年成立的ONSI公司生产的PC-25型设备应用最广，产品遍布美日欧。日本的富士电机、东芝公司、三菱电机等公司在政府支持下，自六十年代开始，继美国之后大力研发燃料电池技术，运行中的电站仅PAFC型即超过100座，装机30MW以上。欧洲各国，加拿大，韩国等国家由政府和企业界合作，也在燃料电池研究与应用上取得诸多进展。
我国在60年代就开始了多种燃料电池的实验室研究，70年代曾投入大量人力物力研究燃料电池用于空间技术，此后研究工作有很长时期的停顿。最近几年，科学界和企业界的一些有识之士开始重新将目光投向燃料电池技术，尤其在PEMFC技术方面已取得了较大的进展。但由于刚刚起步，国家和企业投入资金极为有限（仅为千万元人民币级），且研究力量分散各处，难以取得突破性进展，尤其是难以将取得的成果进行实际应用试验。
2.4 燃料电池发电方式与火力发电方式的技术经济比较
燃料电池发电的高效率、无污染、低噪音性能符合未来工业的发展趋势，其简单的运行方式和优越的运行稳定性是火力发电难以比拟的，多种燃料种类和方便来源使燃料电池不存在应用上的障碍。
燃料电池是分散电源，可以直接建在终端用户。没有庞大的输配电网络，不存在网络故障引起的供电中断，供电可靠性大大提高了。燃料电池故障只影响局部用户，没有现代电力系统大面积停电的危险。
从目前看，国外已运行的燃料电池电站的价格大约为1500美圆/kW，考虑燃料电池的环保效益，已具备与火电竞争的资格。燃料电池建设周期短，占地极小，就近负荷安装，节约建设费用、运行费用和维护费用的同时，节约了输配电网络建设费用并减少线损。而在传统火力发电时，由于电站基本上都远离负荷中心，往往需要投入相当于发电设备造价1-2倍的网络建设费用来配套。网络的安全与稳定运行更是时刻困扰大电网的问题之一。
3、从国家安全及战略高度出发认识发展我国燃料电池发电技术的重大意义
3.1 给我国电网安全运行提出新的挑战
自李登辉提出"两国论"以来，两岸关系骤然紧张。李登辉提出"两国论"是对大陆反应的一种试探，其目的是为台湾走向独立制造舆论。从李登辉上台以来的种种表现看，其否定一个中国的原则蓄谋已久，其最终目标是分裂祖国实现。这种局面的出现毫无疑问会导致海峡两岸发生一场战争，而这一战争将引发更大范围的战争。也就是说，由于美国长期介入，和台湾有着广泛而密切的联系，并且美国明确表示反对中国政府用武力解决。所以一旦两岸发生战争，可以肯定美国将站在李登辉一边，陈兵海峡直接和中国政府进行军事对抗。最近，竞选美国下届总统的小乔治.布什就声称将用武力保护台湾的安全。在此情况下，我国不仅仅是面对台湾李登辉的军队，更大程度上是面对美国的强权势力，美国在科索沃战争中使用的石墨炸弹完全可能会投向中国大陆的电力系统。由于大陆电网覆盖区域广、人口多，战争破坏造成的大停电所带来的灾难性后果将更为严重，对此我们必须有高度清醒的认识，万万不可掉以轻心。作为国民经济基础的电力工业，如何保证电能的连续生产稳定供应？如何避免电网崩溃所带来的灾难性后果？已现实地摆在我们国家面前。我们必须制定相应的措施，未雨绸缪，防患于未然。很明显，燃料电池作为分散电源供电系统，在战争状态下的可靠性是任何其他系统所无法比拟的。因此加快发展我国的燃料电池发电技术，对保障国家安全，抵御外敌入侵，促进国民经济健康发展将起到不可估量的作用。
3.2 加快发展我国的燃料电池发电技术，占领21世纪电力工业技术制高点，是我国国民经济可持续发展的战略需要
由于燃料电池具有能量转换效率高，污染极小，用水少、占地小等突出优点，在发达国家已受到政府和企业的高度重视，并成为十分活跃的重要研究领域。美国政府1995年就把燃料电池列为影响美国国家安全和经济繁荣的27个关键技术领域之一，美国时代周刊1995年将燃料电池电动车列为21世纪十大高新技术之首。美、加、日、欧都在投入巨资开发燃料电池，已在国防工业和民用工业等方面取得较大进展。美、加、欧已将燃料电池应用于第三代潜艇，美国有数万台燃料电池发电站应用于宾馆、医院及居民小区，日本已建成11MW燃料电池发电厂。
21世纪将是氢能的世纪，燃料电池作为把氢能直接转化为电能的洁净发电装置即将大规模全面进入社会，从军用到民用，从潜艇汽车动力、卫星飞船电源到城市区域供电，其开发应用前景十分广阔，市场潜力巨大。美国预计：到2017年30%的电能将由燃料电池提供。我国是一个发展中国家，能源作为基础工业在国民经济中的地位十分重要，加强燃料电池的研究开发并形成新的经济增长点，意义重大，尤其是关系到我国加入WTO后未来整个能源行业的发展。
我国政府已认识到燃料电池的重要性，但是，组织开发的力度还远远不够。与国外相比，我国的燃料电池研究水平还较低，总的来说仍处于科研阶段，离实用化商业化应用还有较大距离。迄今为止，还没有燃料电池发电站的应用实例，这和我国这样一个大国的地位很不相称。其主要原因在于：研究力量分散，经费投入少，没有产业界的参与。尽管国家科技部也将燃料电池技术列为"九五"攻关项目，但经费较少，年度经费仅为百万元级，与发达国家数亿美元的投入相比微不足道。承担研究任务的也只是中科院等少数科研院所，没有企业的介入，很难形成产业化的趋势。而美、加、欧、日则有数十家专门研究开发、生产制造燃料电池的公司，如加拿大的Ballard公司，其资产已达10亿美元。
从国家安全和国民经济可持续发展的战略需要出发，我国必须大力发展军民两用燃料电池发电技术。为了促进燃料电池发电技术的实用化商业化研究开发，建议由国家科技部、国家发展委、国家经贸委牵头，根据国家长远发展需要出发，制订规划，组织有关高等院校、科研院所和国家电力公司、石油集团、石化集团及机械制造等工业部门参与研究开发。集中研究力量，加大经费投入。除国家加大研究经费投入力度外，各大电力、电气、汽车、石油、石化等企业也应投入大量人力、物力、财力从事燃料电池发电技术的研究开发和应用工作。比如国家电力公司系统，1998-2000年城乡电网改造总费用达3000亿元，可否从中拿出10亿元用于燃料电池发电技术的研究开发和应用工作？
下世纪头十年，将是燃料电池发电技术商品化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本都将取得重大突破。分散电源供电系统-燃料电池发电厂必将在21世纪内取代以"大机组、大电网、高电压"为主要特征的现代电力系统，成为电力行业的主力军。而燃料电池的普遍推广应用，必将在能源及相关领域引发一场深刻的革命，促进新兴产业的形成，带动国民经济高速发展。对能源领域的这场革命，政府、企业、科研院所、高等院校都必须给予足够的认识和重视，准确把握它所带给我们的机遇和未来。针对电力工业，我们不应过分强调发展更高的电压等级、更大的单机容量以及大区电网互联等。适当控制单机容量、电压等级、电网规模的发展，而应将有限的人力、物力、财力投入到燃料电池发电技术的研究开发和应用上来，使之早日实用化产业化，为国家安全和国民经济可持续发展服务。
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燃料电池技术论文篇10
Power Electronics and New Energy Power Generation Technology
Yang Lin
(Institute of Electrical Engineering,Northwest University for Nationalities,Lanzhou730030,China)
Abstract:This paper discusses several new forms of energy generation and integrated power supply system transformation,control,intelligence management and safety issues,and hope in the future development of new energy power,we can overcome difficulties and achieve electronic power of new development.
Keywords:Power electronics;Energy management system;Power quality control
我们已进入21世纪，这是一个全新的时代，经济的高速发展给人们的生活带来了很多的便利，但随之而来的却是能源的耗竭，原本丰富的能源如今已变得匮乏，并危及到人们未来的生产生活。与此同时，毫无顾忌的能源利用还造成了大气的严重污染，从而又引发能源危及，这样的恶性循环会直接危及到人类的发展，甚至威胁人类的健康和繁衍。因此，开拓新能源，减少能量源浪费成为当今世界最为关注的话题。
一、新能源的发电方式
（一）太阳能发电
太阳能发电开始于上世纪50年代，当时，第一块实用的硅太阳电池研制成功，如今，太阳能发电技术已经经历了半个世纪的发展，其技术也在日益成熟。目前，占主流的太阳电池仍然是硅太阳电池，主要分为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池。典型的太阳能供电系统结构如图1所示，太阳电池阵列进行光电转换，把太阳能变为电能，再由功率变换器将太阳电池输入到直流电中，最后转换成用户所要使用的电源模式。根据用户的需求，功率变换器可以选择直流斩波器进行DC/DC变换，或采用逆变器进行DC/AC变换。而功率变换装置还应包括蓄电池系统，主要是为了平衡电流。如果太阳光充足，可以利用太阳能，并利用蓄电池充电；如果在夜晚或者阳光不充足时，就可以使用蓄电池供电。
（二）风力发电
如今，风力的主要运用方式就是风力发电，它的发展速度最快，也最受全世界关注。风力发电主要有3种运转方式：
1.独立运行方式，利用一台小型的风力发电机向需要的用户提供电能，它还可以通过蓄电池充电，预防无风时影响发电效果；
2.风力发电与其他发电方式相结合的联合供电方式，主要向交通不便或偏远山区供电，以及地广人稀的草原牧场提供电力；
3.并网型风力发电运行方式，将风力发电网安装在条件较好的地区，常常是一处风场安装几十台甚至几百台风力发电机，这也是风力发电的主要发展方向。风力发电机组在不同风速的条件下运行，其发电机输出的电压的幅值和频率是变化的，所以，通常要配置电力电子功率变换器，通过这种装置控制电流，保证输出的电压是平衡稳定的。
（三）燃料电池发电系统
燃料电池（Fuel Cell）是将反应物如氢气等的化学能直接转化为电能的电化学装置。它通过燃料（通常是氢气）和氧气结合所发生的光电反应来发电。燃料电池发展了这么久，根据电介质的不同，主要分为5种燃料电池：碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）；质子交换膜燃料电池（Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC）；磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）；熔盐燃料电池（Molten Car-bonate Fuel Cell，MCFC）；固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。
实际上，燃料电池也有其优点，例如：发电效率高：发热少；噪音低，污染小；功率密度高。目前，燃料电池发电主要集中在以下几个方面：燃料电池特性研究；燃料电池发电系统结构和高效功率变换的研究；能量管理技术；孤岛检测和保护技术，并网电流控制；并网运行与独立运行之间的无缝切换控制技术。
燃料电池所输出的电压会随着电压的变化，发生较大范围的变化。燃料电池的输出电压在负载发生突变时还要经过一段时间才能停止反应，对于质子交换模燃料电池响应延迟达2秒。因此，燃料电池一般与负荷动态的具体要求无法很好的匹配。
二、电力储能技术
可再生能源发电装置所产生的电能主要还存在无法预测的周期性变化，例如风能、光伏发电等，如果将其电能直接输入普通电网，将会对电流带来不良影响，而电力储备装置就可以平衡能源发电输入与电网之间的矛盾。电力储能技术有蓄水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、电池储能等它们都各具特点，各有优势，但它们的正常运行主要是依靠电子电力技术。
蓄水储能与压缩空气储能主要是对电力高峰期进行调节，但是对地理条件的要求较高。电池储能的精密性高，需要在技术成熟的条件下进行，理论上可以用于电力调峰，单电池使用寿命有效，这成为蓄电技术的难点。飞轮储能的储能量有限，运行复杂，一般用于电能质量调节。
三、电能质量控制
（一）电源谐波检测和分析技术
谐波的测量和分析都是以思想谐波治理为前提条件的，精准的谐波测量和分析可以为谐波的治理提供准确的依据。自提出快速傅里叶变换算法（FFT）以来，基于傅里叶变换的谐波测量得到了普遍应用。然而基于傅里叶变换的谐波测量要求整周期同步采样，不然就会严重影响其效果。因此，怎样减少因同步偏差而引起的测量误差成为电子电力技术人员迫切要解决的难题。
（二）电能质量控制和管理
首先，电能质量的控制和管理主要包含功率因数校正和滤波器设计，由于传统的无源滤波器体积和重点都很大，还需要对不同的频率进行设计，而功率因数较技术正是提高功率因数和降低谐波污染的重要途径。如今，电能质量控制和管理的研究重点在与PFC控制技术上，比如：单开关、多开关以及软开关三相PFC电路的研制，软开关技术与PFC技术的融合已经成为未来的发展趋势，虽然目前的PFC产品受到功率的限制，但应用于分布式新能源发电系统却是重要机遇。
四、总结
综上所述，随着科技的发展，新能源的开拓和使用技术越来越成熟，但是，要真正做好新能源发电技术，还需要从解决先存的各种问题，因此，电子电力技术人员应在在电气、电子、控制和信息等工程技术领域加强合作研究，通过系统集成和技术融合，实现各种技术的突破，我相信，我们一定可以克服各种困难，迎来新能源造福人类的灿烂明天。
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燃料电池技术论文篇11
（一）铅酸蓄电池技术
铅酸蓄电池是目前能够大量生产供应、在汽车领域应用最为广泛的电池。它主要由分别浸入电解液的正极板（PbO2）、负极板（Pb）组成。
（二）铅酸蓄电池技术的充放电原理分析
铅酸蓄电池是利用元素Pb化学上的不稳定性产生电子迁移提供电能的。当正、负极板用导体相连，负极板上的Pb失去两个电子与电解液中的S042-生成化学特性更加稳定的PbSO4，电子通过导体被正极板上的Pb4+捕获也生成PbSO4，以此持续地为用电器提供电能。当正、负极上的活性物质被大量消耗，放电反应无法持续地大量发生，造成蓄电池亏电，需要进行充电。充电时，负极板上的PbSO4被电解，Pb2+获得电子还原为Pb；正极板上的Pb2+失去电子被氧化生成PbO2。
1、铅酸蓄电池技术的特点分析
铅酸蓄电池比能量和比功率低、循环使用寿命短、充电时间长，极大地限制了其在电动车领域的推广应用。作为电动车的动力电池，目前仅仅应用在行驶里程短、对充电要求不高的场合，如观光车、叉车、短途公共汽车等。
2、铅酸蓄电池技术的应用前景分析
虽然铅酸蓄电池作为电动车的动力源存在许多先天不足，许多人并不看好其应用前景，但它技术成熟、可大量生产、造价低，如果能够改善其比能量和比功率、提高其充电性能和使用寿命，在新的动力电池技术发展成熟、广泛应用之前，仍具有一定的应用空间。
（三）锂离子电池技术
锂离子电池是20世纪90年代索尼公司推出的新型高能蓄电池，已经在便携式信息产品中获得推广应用。电动车用锂离子电池性能明显高于上述两种电池，是目前动力电池的发展主流。典型的锂离子动力电池由锂离子金属氧化物（LiMO2）构成的正极、焦炭或石墨（C）构成的负极以及溶有锂盐的有机溶液组成。
1、锂离子电池技术的充放电原理分析
充电时，正极的Li失去电子变为Li+，脱离金属氧化物进入电解液，负极的碳呈层状结构，它有许多微孔，从电解液中来的Li+和电子嵌入其中，嵌入的Li越多，容量就越高；放电时，嵌在负极碳层的Li释放电子，从碳层中脱出变为Li+进入电解液，电子经过用电器到达正极，和电解液中Li+以及正极金属氧化物重新组合成LiMO2。
2、锂离子电池技术的特点分析
锂离子电池比能量比镍氢电池高出一倍多，但是它也存在一些问题，如快速放电性能差、价格过高和过放电保护问题，更严重的是大容量的、高功率的锂离子电池安全性上存在较大问题，限制了锂离子电池在电动汽车里的大规模推广运用。目前，主要在小容量、低功率的电动汽车上广泛应用。
3、锂离子电池技术的应用前景分析
离子电池普遍被科学家们看好，认为它是21世纪纯电动汽车发展的主要动力电池之一。各国汽车生产厂商都将发展锂离子电池技术列为新能源汽车研究的重点项目，未来具有广阔的研究和应用前景。
（四）燃料电池技术
燃料电池是一种存在于燃料和氧化剂之中的化学能直接转化为电能的装置，目前研究较多的是以氢气为燃料的氢燃料电池。它的结构同一般蓄电池类似，由正极、负极和电解质隔膜组成。不同的是，燃料电池的正、负极不包含活性物质，仅仅作为催化转换元件，电池工作时，氢气和氧气由外部供给。理论上，只要不断输入反应物，不断排除反应产物，燃料电池就能持续地供应电能。
1、燃料电池技术的放电原理分析
电池工作时，分别给正、负极供应氧气和氢气，氢气在负极失去电子变为H+进入电解质隔膜，正极处的氧气捕获负极而来的电子，并与电解质隔膜中的H+反应生成H20。
2、燃料电池技术的特点分析
燃料电池只需补充燃料与空气就可以源源不断地产生动力，并不需要一般蓄电池长时间的充电储能过程，更加接近内燃机汽车，能够更加快速方便地补给。氢燃料电池作为能源的突出特点是无污染、效率高、高功率密度、可循环利用。
3、燃料电池技术的应用前景分析
短期内，燃料电池很难大规模推广应用，但随着技术成熟进步，燃料电池相对于一般蓄电池会体现出其先天优势。燃料电池不仅是未来电动汽车主要的动力电池之一，并且它自身可以产生电能而不需要充电，是未来缓解能源危机的一种新型绿色能源，具有广泛的前景。
二、电动汽车动力电池技术的未来展望研究
目前，没有哪一种动力电池完全占据了主导地位。它们在各自应用领域、不同的时间段内发挥着各自的作用。铅酸蓄电池成本低、技术成熟，适用于现阶段的短距离电动汽车；锂离子电池体积小、质量轻且容量大，只要解决了充电、安全性等问题，极有可能在不久的将来广泛应用于纯电动汽车，使电动汽车逐渐取代内燃机汽车；燃料电池通过添加可再生燃料续航，不需要进行充电，是未来电动汽车的发展方向，同时也是解决能源危机的一种新型能源。
燃料电池技术论文篇12
近10年来，中国、美国等国家经济的快速发展，带动了对石油的旺盛需求。虽然目前国际石油储量还相当丰富，但是石油主产区(中东地区)的政治不稳定，石油输出组织不断采取限采保价措施，使原油价格快速攀升并持续维持在高位。国际能源争夺愈演愈烈，美国、日本、欧盟等都不断加快调整各自的能源战略，全球能源形势正经历深刻演变，亟需我们对能源问题从战略的高度重视和深入思考。
上世纪70年代的石油危机和近年来石油价格恐慌等能源效应表明，对能源资源的占有量、能源综合效率、能源使用的方式和能源使用的安全性成为影响一个国家人民的生活水平提高、综合国力的发展以及国家文明和社会进步的重要因素。中国从1993年成为石油净进口国，2004年对原油的进口依存度已超过40%，预计2020年对原油的进口依存度将达到60%。因此，保持石油的安全供应成为涉及国家安全的重大问题。多年的实践证明，在一定的国际能源环境下，迅速改善能源环境的有效手段就是节能。
在“九五”和“十五”期间，我国在节能方面已取得了较好的成绩，那么在节能方面还能有所作为吗？从国际上来看，目前每百万美元GDP消耗的标准油分别是：日本90吨，约为世界平均水平的1／3；美国250吨，欧盟180吨，而我国836吨。每百万美元GDP消耗的标准油，我国是日本的9.3倍，美国的3.4倍。此外，“十五”期间，我国能源消费的弹性指数平均值已超过了1，这说明我国能源消费增长速度已经超过经济增长速度。如果按照这种弹性指数发展下去，到2010年我国将消耗30亿吨以上的标准煤。而这个能源的消费量是我国原来制订的2020年的规划目标。再从年人均能源消费量来看，目前发达国家的消费量很大。例如，从年人均消费标准油来看，日本和欧盟为4吨，美国大于8吨，而中国不到1吨。对于中国这样一个人口大国来说，如果按照发达国家年人均能源消费量进行活动，很难实现可持续发展，根本不符合国情。节能、建设节约型社会成为改变这一发展模式的重要手段。不过，要实现节能降耗，不找到一条跨越式的降耗之路，肯定无法实现目标。例如，上海在“十五”期间，万元GDP能耗已下降了16.5%。要在“十一五”期间在“十五”的基础上将万元GDP的能耗再降20%，只有倚重于新技术的应用。
目前，在以化石燃料为主的能源供给模式中，能源的供给量总是与污染物的排放量一同增长。国家环保总局张力军副局长认为，48.1%的中国城市的空气质量处于中度或重度污染，颗粒物是首要的污染物。张力军说，在人口超百万的特大型城市中，二氧化硫和颗粒物超标比例高，空气质量达标比例低。如果能将节能措施落实到位的话，在减少能耗总量的同时，也同时减少了污染物的排放量。因此，节能除了减少对能源的净需求，还能起到环保的作用。
从能源系统效率来看，目前中国能源的综合利用效率为32%，而发达国家的为40%，甚至50%左右。如果按开采效率32%计算，从开采、加工、运输、到新设备，中国总的能源利用效率为9.3%，不到发达国家的50%。要进一步提高能源利用效率，必须倚重于新技术的应用。在常规火力发电中，能源效率受卡诺循环（由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程）的限制，能量转换效率不高。例如，内燃机的能源效率只能达到18％～24％。而燃料电池的理论热电转化效率可达85%-90%，实际能量转化效率在40%-60%的范围内。若实现热电联供，燃料电池的总能量利用效率可达到80%以上。为了实现“十一五”提出将单位GDP能耗降低20%的约束性指标，在十届人大二次会议上，总理强调使用新能源、可再生能源以及节能汽车的重要性。在2005-2020年国家科技发展计划中指明，在未来，氢能尤其是燃料电池公共汽车将成为城市公交系统的主要组成部分。从应用的角度来看，燃料电池除了可作为发电装置以外，还可以作为电动汽车、家用机器人、笔记本电脑、以及众多可移动电子装置的电源。2000年诺贝尔化学奖获得者（美国德克萨斯大学）Alan G. MacDiarmid教授在2006年5月国家自然科学基金委员会成立20周年时预言，将来汽车的动力将从仅用空气和生物乙醇或生物燃油的燃料电池中获得动力。美国已将燃料电池列为27个国家关键技术领域之一，加拿大将燃料电池列为国家知识经济的支柱产业之一，我国也已将燃料电池列为“九•五”攻关计划之一。
2 燃料电池的优势及应用
广义的燃料电池是一种发电系统。该系统包含燃料处理或重整系统、直流输出的电流和电压调节系统、热交换系统、安全控制系统和其他装置。狭义上的燃料电池是一个单电池或独立的电池堆，它包含燃料重整系统、燃料电池反应系统、能量回收系统等。其中,燃料重整系统可以将天然气等转化为可供电池使用的富氢气体，比较复杂。但是，在使用H2为燃料的燃料电池中可以省去这一系统。
2.1 燃料电池的优点
与其它类型电池和其它产生能量的方法相比，燃料电池有如下的优点：
2.1.1 能量转化率高
在燃料电池中可以将燃料的化学能直接转变为电能，不需要经过中间燃烧过程，能量转换中不受卡诺循环的约束，能量转化效率很高。
2.1.2 环境污染少
由于燃料电池具有高的能量转换效率，产生相同能量排放的二氧化碳的量就比使用热机过程产生相同能量排放的二氧化碳的量减少40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。燃料电池所用的燃料在反应前必须经过脱硫及脱除污染物的步骤，在燃料电池的发电过程中，化学能转变为电能是按电化学原理进行的，不经过热机的燃烧过程，几乎不排放氮氧化物和硫氧化物，减轻了对大气的污染。当燃料电池以纯氢为燃料时，化学反应的产物仅为水,从根本上消除了污染物的排放。
2.1.3 噪音污染少
在燃料电池系统的运行过程中几乎没有移动的部件，运行过程没有通常发电机发电的噪音。
2.1.4 比能量高
液氢燃料电池的比能量是镍镉电池的800倍，直接甲醇燃料电池的比能量是锂电池的10倍以上。虽然目前燃料电池的实际比能量只有理论比能量的10%左右，但比其它高能电池还是高很多。
2.1.5 使用寿命长
在通常的化学电池中，正极活性物质和负极活性物质是共处于同一体系中，电池的使用寿命受到正极活性物质和负极活性物质的用量及循环寿命的制约。然而，燃料电池的正极活性物质和负极活性物质是从外部供给的，因此从理论上来看，燃料电池的寿命不会短。
2.1.6 操作方便，安全可靠，灵活性大
燃料电池的结构简单，辅助设备少，几乎可以在任何需要的地方发电，不必使用输送电线和电站等配套设备，操作十分方便。燃料电池的灵活性大，功率可以从几瓦到兆瓦，使用对象可以从手机到大规模发电。在使用过程中，燃料电池的可靠性大，能量效率与负载的大小没有太大的关系。同时，由于整个电池系统是由单个电池组成的，维修时只要拆换单个电池就可以了，十分方便。
2.2 燃料电池的应用
燃料电池的发展历史已经有160多年。伴随着燃料电池的发展，其应用领域也在不断扩大，下面分别讨论。
2.2.1 在军事上的应用
燃料电池具有高效、多面性、使用时间长、运行噪音低、安全方便、灵活可靠、适合移动等特点，非常适合军事的需要。比如：美国海军的海底探索船只和潜艇就常用燃料电池来驱动。
2.2.2 在移动装置上的应用
微型燃料电池的寿命长、质量小、燃料添加方便、安全可靠，比常规的电池更具优势。美国、日本、欧盟、中国等正在研究以燃料电池为能源的手机。
2.2.3 在家庭中应用
可解决农村能源问题，供给较大的电子设备电能，如用于即将面世的家用机器人。
2.2.4 在空间领域的应用
早在60年代，美国就将燃料电池用于登月计划。燃料电池在这一方面应用是最为广泛的。
2.2.5 在固定区域的应用
在区域发电中使用燃料电池，可以避免长距离输电的电力损耗和解决架设线路困难等问题。
2.2.6 在运输车辆中的应用
在运输车辆中，特别是在城市公共汽车中使用燃料电池，可以提供清洁无污染的能源。
3 燃料电池的发展状况
3.1 燃料电池的发展历史
早期燃料电池的价格很高，主要应用于航天领域中。经过世界各国多年竟相研究和开发，目前燃料电池的价格已经大幅度降低。从燃料电池的发展来看，已有160多年的历史。1839年，当用铂电极电解H2SO4溶液时,Grove发现铂电极对新析出的氢气和氧气有电催化活性，从而提出燃料电池的雏形。1889年,Mond和Langer首先采用“燃料电池”一词来命名这类电池。1894年，Ostuard从热力学上证实：用低温电化学氧化法获得燃料能量的效率远高于用热机方法获得能量的效率。然而，由于在发电技术和电极过程动力学理论研究中没有取得突破性的进展，直到20世纪50年代，燃料电池才有实质性的进展。Bacan开发了多孔镍电极，制造了第一个千瓦级碱性燃料电池系统。现代燃料电池的研究与开发始于20世纪50年代，并以60年代末美国将燃料电池成功应用于阿波罗登月计划为顶点和标志。70年代后，由于全球石油危机和环境保护的呼声，使燃料电池又一次引人注目，成为研究的热点。80年代熔融盐和90年代的固体氧化物燃料电池也得到了很大的发展。如今，质子交换膜燃料电池的研究已经取得了重要进展，已研制出了高功率密度的质子交换膜。美国、日本、欧盟、中国等国都开展了众多领域燃料电池的研究。
3.2 中国燃料电池的发展现状
正如前面讨论的，由于我国国民经济的快速发展，伴随着许多城市的空气污染十分严重。为减少城市空气污染和提高能源使用效率，科技部和有关部委共同组织了以“清洁能源行动”和“清洁汽车行动”为主要内容的“空气净化工程”，并在包括北京市、上海市在内的全国30多个城市实施。同时，北京市和上海市制定了一系列的法规、政策和措施，以推动清洁能源技术和清洁汽车技术的推广和应用，减少城市空气污染，改善空气质量。下面我们回顾一下燃料电池的发展现状。
中国燃料电池的研究和开发始于1958年。当时的电子工业部天津电源研究所最早开展燃料电池研究。上世纪70年代初期，在航天事业的推动下，我国燃料电池的研究出现过一次高峰。90年代中期，国家科技部和中国科学院将燃料电池列入“八五”攻关项目，我国出现了研究燃料电池的第二个高峰。其中，质子交换膜燃料电池被列为重点项目，以大连化物所为牵头单位在全国开展了质子交换膜燃料电池的电极材料和电池系统的研究，组装了多台1百瓦、1千瓦、2千瓦、5千瓦、50千瓦的电池组和电池系统。2000年9月，上海神力科技公司开发出以纯氢气为燃料的质子交换膜燃料电池的观光车，同年11月，北京富源新科技开发公司也开发出以质子交换膜燃料电池为动力的汽车。2001年，科技部开始实施以燃料电池汽车为重要内容的“电动汽车专项”，作为12个国家重大科技专项之一，国家投入近9亿元。2005年8月上海神力科技有限公司承担了科技部电动汽车重大专项中10辆轿车发动机、4辆大巴发动机的研制任务。研究成果通过了科技部监理检查组对神力科技工作的节点检查验收。制备的电动汽车的续驶里程为230km，在0-100km/h间的加速时间为19s，燃料经济性指标达到1.132kg/100km。
3.3 小型燃料电池的研究现状
几年来不断有公司宣布推出用于便携产品的微型燃料电池原型，业界人士曾在2004年期望“2006年可以像购买普通干电池一样，在超市里买到甲醇燃料盒”。然而,2007年已经来到，虽然有些燃料电池厂商实现了小批量生产，但距离这个愿望还有相当长的路要走。不过，越来越明朗的是：技术的不断改进、公众认知度的深入以及来自政府的支持，都在加速推进微型燃料电池的商业化进程，目前已到破茧成蝶的阶段，全面起飞指日可待。
在以3C电子产品为主要应用领域的小型燃料电池方面，现今全球最具有成为3C电子产品新世代电源潜力者，当属质子交换膜燃料电池，其中又以小型直接甲醇燃料电池具有激活速度快，使用的燃料为甲醇，具有储运方便且成本低等优势而倍受青睐，近年在全球国际大厂积极投入研发推波助澜下，技术进展迅速。ABI的分析师Atakan Ozbek说：“许多公司正在以飞快的速度开发该产品的原型” 。他预计，全球的微型燃料电池出货量将会从2004年的5,000个增长到2011年的2亿个，销售额也将从100万美元上升到20亿美元。国外最近的研发成果及部分产品显示小型甲醇燃料电池已经接近商业的需求。
(1)日本
日本东芝公司2003年推出小型甲醇燃料电池(大小：10.82x2.95 x1.57英寸，重量：28.9盎司)，能提供5小时的电量，燃料盒可以重复使用。因为该电池所使用的电极与锂电池的相同，所以它也可以替换便携设备中的锂电池。该公司2004年的小型甲醇燃料电池输出功率100mW，（大小：22 × 56 × 4.5mm，重量：8.5g），燃料储存槽(厚:9.1mm，甲醇容量2ml，溶度为99.5%的甲醇)，这种超小型燃料电池可用于便携式音乐播放器和卡片型收音机等电子设备，如果用于笔形音乐播放器，电池可使用20小时。日本东芝公司2005年推出采用燃料电池的MP3随身听原型机如图8所示，其中一款是闪存产品，一款是微型硬盘产品，分别采用了输出功率为100mW和300mW的燃料电池。300mW燃料电池(尺寸：60x75x10mm)，播放器（尺寸：65×125×27mm），带电池重量为270g。一次充电后可以维持60小时的运作。
(2)韩国
韩国三星尖端技术研究所(SAIT)研制成功了可支持笔记本电脑正常工作10小时的燃料电池系统，其最大输出功率为20W，燃料使用100ml甲醇水溶液。2006年前后，将燃料电池的单位体积能量密度由当前的200Wh/l左右提高到500Wh/l，达到与现有锂离子充电电池相同的水平。
(3)美国
摩托罗拉计划投入巨资于北美Tekion 公司进行。用于为手持设备提供1mW到50W的功率的燃料电池。可以广泛用于工业计算机、卫星设备、笔记本电脑以及移动电话上。他们利用燃料电池反应产生的温度上升现象，加快了甲醇的汽化反应，提高了反应效率，使功率密度最高可达250mW/cm2，是直接甲醇型样机的4～5倍。
(4)德国
直接采用甲醇的燃料电池的样品的平均输出功率为12 W，最大输出为20 W，可提供5 h的电能。德国SFC公司专门面向笔记本电脑和掌上电脑的小型燃料电池。平均输出功率为25W。
(5)中国
直接甲醇燃料电池项目落户济南。
4 发展燃料电池的挑战
国内外研究和开发燃料电池的实践表明，燃料电池项目是一个系统工程项目，不是一朝一夕、某个单位就能够完成的，需要政府、企业、科研院所的通力合作，经过一定时期的努力才能完成的。正如中国院大连化物所衣宝廉院士说的“燃料电池的商业化不是百米冲刺，而是厚积薄发的长跑”。他在2006年东莞召开的第27次全国物理与化学电源会议上，指出燃料电池的初期成本较高，目前中国独立研究的燃料电池中还存在燃料电池的循环寿命有待于进一步提高的不足。
5 发展燃料电池的展望
21世纪是氢能的世纪，新材料的发现和纳米技术的发展将有利于降低燃料电池的成本，而环境的治理和能源的缺乏等问题势必大大地促使燃料电池大规模地进入人类社会。目前，欧洲、美国和日本等发达国家以及许多发展中国家都制定了严谨的计划，投入了大量的人力、物力和财力对各类的燃料电池进行大规模的研究和开发。专家预计到2010年燃料电池的汽车才可能大规模生产；到2017年，全世界30%的电力是有燃料电池提供的。燃料电池技术将导致21世纪新能源的革命。
燃料电池一旦得到普遍应用，那么，我们的社会便将步入一个使用氢能源的新型社会，而这种氢能源，实际上永远也不会枯竭。因此，燃料电池可能引发自工业革命以来的又一次大变革。
参考文献
[1] 2006年中国能源发展报告. http: // 省略 /info /06nengyuan/ txt /2006-08/29/content_7114989.htm
[2] 周大地. 中国能源形势报告会.
[3] 蔡夏英,上海市城市交通管理局.省略 /tiring_room /new/ywnews/2006316145450.htm
燃料电池技术论文篇13
燃料电池是一种化学电池，它直接把物质发生化学反应时释出的能量变换为电能，工作时需要连续地向其供给活物质即燃料和氧化剂。由于它是把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，所以被称为燃料电池。
二、料电池分类
随着材料科学制造工艺技术的发展出现了多种类型的燃料电池，按照不同的方法可以分为不同的种类。按燃料电池的燃料使用类型可以分为直接型燃料电池、间接型燃料电池以及再生型燃料电池。按照燃料电池的燃料状态可以分为液体型燃料电池、气体型燃料电池。按电解质的种类不同可以分为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、再生型燃料电池、锌空燃料电池（ZAFC）、质子陶瓷燃料电池（PCFC）等。.按燃料种类可以分为氢燃料电池、甲醇燃料电池、乙醇燃料电池等。按工作温度不同可以分为低温型（温度低于200℃）、中温型（温度为200℃～750 ℃ ）、高温型（温度为750℃～1000 ℃ ）、超高温型（温度高于1000 ℃ ）。
三、电池工作原理
燃料电池就是把化学能直接转化为电能的装置。它与一般电池一样，燃料电池是由阴极、阳极和电解质构成。
在阳极上连续充如氢气的气态燃料，那么阳极为氢燃料发生氧化的场所，而阴极上则连续充氧气，那么阴极为氧化剂还原的场所，其两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，这样就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电流。从理论上讲，只要连续不断地给电池供应燃料和氧化物，燃料电池就能连续发电。但实际上，由于元件老化和故障等原因，燃料电池有一定的寿命。
四、燃料电池系统组成
燃料电池实际上不是“电池”，而是一个大的发电系统。我们以质子交换膜燃料电池为例来说明。对质子交换膜燃料电池来说，需要有燃料供应系统、氧化剂系统、发电系统、水处理系统、热管理系统、电力系统以及控制系统等。
燃料供应系统是给燃料电池提供燃料，如氢气、天然气、甲醇等。这个系统可以直接利用氢气罐来提供氢气，这种方法比较简单，如采用如电解水的方法制取氢气则相当复杂。氧化剂系统主要是给燃料电池提供与氢气系统相同压力、一定流量、经过良好滤清的氧气。氧气可以从空气中获取或从氧气罐中获取，采用空气获取时需要用压缩机来提高压力，以增加燃料电池反应的速度。压缩机质量、体积和成本，会影响整个燃料电池的参数。
空气供应系统的各种阀、压力表、流量表等接头均要采取防泄漏措施。发电系统是指燃料电池本身，它将燃料和氧化剂中的化学能直接变成电能，而不需要经过燃烧的过程，它是一个电化学装置。由于在电池的阴极生成水，所以需要不断及时地将这些水带走，否则会造成燃料电池失效，因此水的管理在燃料电池中至关重要。
五、料电池发展现状
目前世界各大汽车公司，如戴姆勒克莱斯勒、通用、宝马、丰田等都在积极开发以质子交换膜燃料电池为动力的电动汽车。2000年通用汽车在悉尼奥运会上的OPEL纯氢燃料电池汽车成为马拉松竞技的先导车。我国有关燃料电池的研究始于20世纪中叶。2001年，燃料电池汽车的研制研发被列入到“十五”计划中。2002年大连物化所新源动力公司开发出40KW的轿车燃料电池发动机和75KW的客运汽车燃料电池发动机。并作为展示电动车在2008年北京奥运会上运行。
目前，虽然燃料电池将成为未来的最佳车用能源的这一观点已被认同，但电池寿命、成本、质量体积、氢气安全等问题仍需要我们解决。
六、结论
以氢为主要燃料的燃料电池，具有能量转换效率高、环境友好、高功率密度等特点，有着很多其它发电设备所不可比拟的优势，随着技术的进步和不断研发，它必将成为内燃机的有效替代装置。
参考文献
